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1、铒钇超大功率光放大技术（ErYbDFA）在NGB网络构建中的应用四川蓝网数讯科技有限公司 李万成一、 前 言下一代广播电视网-NGB是以有线电视数字化和移动多媒体广播电视（CMMB）的成果为基础，以自主创新的“高性能宽带信息网”核心技术为支撑，构建的适合我国国情的、“三网融合”的、有线无线相结合的、全程全网的下一代广播电视网络。为此，广电总局科技司在09年颁布了一个面向下一代广播电视网（NGB）电缆接入技术（EoC）需求白皮书。在白皮书中建议：下一代广播电视网（NGB）要面向未来五到十年，每个光节点覆盖用户不要多于200户，并逐步向50户或20户过渡。网络结构的实质就是FTTB（光纤到大楼），
2、使每个光节点覆盖用户小于50户。因而，NGB网络与传统的FTTN（光纤到节点，每节点500-200户）有了两个显著的不同：1） NGB网络需要的光节点成倍增加，需要更大量的光功率来覆盖，传统的1310nm光发送机或EDFA1550nm光纤放大器性能价格比较低，显得难以适应。由于NGB网络光节点规模都较小，基本上是1栋楼设置1个光节点（主要是EPONEoC IP数据平台的要求）。这样，一个一般规模的网络就需要用巨量的光功率才能加以覆盖。比如，1个20万户的城市网络：1个分前端按3-5万户计算，5km半径，每50户1个光节点，约有600-1000个光节点。如果采用1310nm光发送技术，大概需要1
3、00-166台10mw的1310nm光发送机，不仅成本高，维护困难，电源的UPS备份都很复杂，而且，还要占用机房大量的空间，即使采用模块式的光平台，3U机框10个功能块，也要10-17个机框，至少3-4个大几架，同时还伴随大量的电缆布线。即使采用EDFA光纤放大技术，也需要有10-16台20dBm光纤放大器，如图1所示。l 1台20dBm光纤放大器覆盖64个光节点或大楼，使每台EDFA与2台OLT相匹配。l 每光节点接收光功率预算为0-3dBm 。图1 NGB网络光功率的分配模型同样，要占用1-2个大机架，耗费机房大量空间，资金投入也较大。2） NGB网络可靠性与单一广播式的HFC网络相比较，
4、要求更高，对于一个全业务的NGB网络而言，关键设备的11热备份是至关重要的。必须实现11的热备份，才能确保NGB网络的可用性。因为下一代广播电视网络NGB的内涵和实质是一种能以支撑大量互动电视视频流为基础的语音、数据与视频三网融合的宽带综合业务双向网。相对于传统的有线电视网，NGB网络是双向网络，支持双向互动业务，实现语音、数据和视频的双向传输。在下行通道中有大量的VOD点播业务，因此，需要极大地提高网络下行通道的可靠性。在一个机房中，传统的16台EDFA是无法作11的热备份。只能采取N1冷备份，即16台EDFA，用1台来备份。 只要有1台EDFA工作不正常，就会影响64个光节点，近3200个
5、用户，而且更换时间过长，VOD业务会中断，不太适应NGB网络高可靠性的要求。基于上述的考虑，本文提出了用1550nm铒钇超大功率光放大技术（ErYbDFA）来构建NGB网络，一方面能大量减少设备数量，减少投入，具备最佳的性能价格比，同时能节省机房空间，有效保护珍贵的机房资源；另一方面，能实现EYDFA光放大器的1+1热备份，实现关键设备的全保护，确保NGB网络的可靠性和可用性。本文分为三大部分，第一部分为1550nm光纤放大技术的选择，分析比较EDFA和EYDFA光纤放大技术的性能，第二部分为EYDFA铒钇超大功率光放大器的工作原理，着重分析EYDFA的两个关键技术和器件的特性：包层Pump源
6、和双包层掺杂光纤。第三部分为在EYDFA光放大器系统中如何实现VOD视频流的插播，给出了一种OverLay插播的解决方案。第四部分为结束语。二、 1550nm光纤放大技术的选择EDFA通常采用单包层、单模的掺铒光纤EDF光纤，对泵浦源的激光模式要求较高，导致泵浦耦合效率低，为了提高输出光功率，可增加掺杂Er3十浓度。但随着Er3+浓度的提高，Er3+发生聚集，会引发浓度猝灭效应，直接影响掺铒光纤放大器的泵浦转换效率和增益的提高。而不断发展的NGB网络系统对掺铒光纤放大器的性能提出了更高的要求，包括高饱和输出功率(33 dBm，2000mw)、低噪声系数(NF30nm)、平坦的增益谱(增益平坦度
7、2 dB)等。显然，标准的EDFA远远不能满足。而大规模用于FTTH的双包层Er3+Yb3+共掺光纤放大器(EYDFA)比传统的EDFA有更优良的特性。以双包层光纤为基础的包层泵浦技术使能量转换效率提高到一个新的水平，泵浦耦合效率可达84%，降低了对泵浦光模式的要求。另外，Yb3+共掺人掺铒光纤中不但有效抑制了高Er3+浓度引起的浓度猝灭效应，提高了泵浦效率，而且使铒镱共掺光纤的吸收谱大大加宽(8001100m)。实验表明，EYDFA具有优良的噪声特性和增益平坦特性，如图2-4所示。图2 EYDFA光谱特性图3 EYDFA吸收峰分布图图4 EYDFA频谱增益特性与EDFA不同，铒钇超大功率15
8、50光纤放大器的输出功率可以高达6W（6000mw），普遍商用的是2W（2000mw）。即1台33dBm（2000mw）的铒钇掺杂光纤放大器（YbErDFA）相当于16台20dBm（1600mw）的EDFA。如图5所示。铒钇（ErYb）超大功率光纤放大器LA5500l 单口输出光功率高达2w（2000mw）l 相当于16个20dBm的EDFA的光功率输出l 节省机架空间l 节省大量设备成本l 可以实现设备的1+1备份133dBm（2000mw）1620dBm（1600mw）掺铒光纤放大器LA5100VS图5 铒钇（YbEr）光放与EDFA的比较如图6所示，光分路器的每个端口的输出光功率都为10
9、0mw（20dBm）。YbErDFA光开关2W 2W 116EDFAYbErDFA图6 YbErDFA光纤放大器的11热备份1550nm ErYb光纤放大技术的优势：l 输出光功率大，高达2000mw，相当于16台20dBm的EDFA，极大地节省了成本，可降低约一半左右。这样每个分前端仅仅需要1台ErYb光纤放大器。l 可实现1+1的热备份，完成关键设备的全保护，确保NGB网络的可靠性和可用性。l 不仅节省了空间，而且相应的维护（比如电源的UPS备份）也变得非常容易。三、 铒钇超大功率光放大器的基本原理和结构铒钇超大功率光放大器的结构如图7所示，增益光纤分成两段，分别进行泵浦，形成双级结构。第
10、一级从-6-+10dBm输入放大至13dBm以上，作为二级光放大的驱动光功率，使输出光功率达2w以上，同时使二级放大器的噪声影响也非常小。两级间用一隔离器隔开，抑制正反向自发辐射光的放大。放大器的总噪声指数由前级放大的噪声指数决定。这种设计结构同时实现了高增益和低噪声。 图7铒钇超大功率光放大器的结构图其中最为关键的器件与技术是包层泵浦（Cladding Pump) 和双包层光纤（Cladding Fiber）。包层泵浦（Cladding Pump)：由于Yb具有比Er大的吸收截面和宽的吸收带宽（8001100nm），所以可以在较宽的波长范围选择合适的泵浦源，827nmLD、1060nm掺Nd
11、光纤激光器、1064nm的NdYAG激光器、980nm的激光器和1480nm的泵浦源。另外Yb的掺入使更多的Er以离子对（Er/Yb）的形式存在，有效地抑制了浓度淬灭效应，提高了光纤放大器的能量转换效率。包层泵浦源（LD激光器）是一种激光器阵列，排列起来后输出功率达好几W。与普通的DEF（掺铒光纤）配合使用时，包层泵浦的大部分功率，都不能有效地注入进DEF摻铒光纤中，因为包层单模的（DEF）的吸收截面小，难以使大面积发光的包层泵浦光耦合入EDF中，实现能量的转换。如图所示。双包层掺杂光纤（Cladding Fiber）双包层Er/Yb共掺光纤具有双包层结构，如图9-10所示，由两个包层与纤芯组
12、成。内包层作为泵浦光波导，其横向尺寸和数值孔径远大于纤芯（90um：5um）。大孔径的内包层能使大面积发光的包层泵浦光能直接耦合入内包层中，泵浦光在内包层和外包层的界面上来回反射，反复穿越纤芯，激活增益光纤，使纤芯中传输的信号不断放大。这种具有双包层结构的增益光纤的内包层界面形状对泵浦吸收效率具有很大的影响。内包层形状为圆界面的双包层光纤对泵浦光吸收效率非常低，而D形和矩形双包层光纤对泵浦光的吸收效率则较高。目前，双包层Er/Yb共掺光纤内包层横界面一般采用矩形、正六边形或梅花形。四、 1550nm铒钇超大功率光放大系统中VOD视频并发流的插播技术解决方案如图12所示，为1550nm铒钇超大功
13、率光放大器的一种典型应用。首先，下行广播系统（Broadcast）的构建：（1）从总前端经环网的两条不同路由的光功率分别驱动分前端中的2台超大光功率的EYDFA。每台EYDFA分别输入到一个超大光率的光开关中，其中切出一路2w的光功率（另一路作备份）至1个16x16的光分路器，输出16路20dBm（100mw）的光功率，构成了一个全保护的1550nm光网。（2）每20dBm口再分别连接1个8x8的光分路器进行光功率的分配，其每路光功率经0-5km的光缆连接到小区的1个1x8的光分路器中，每路分别连接8栋楼宇，完成了FTTB的构建。（3）16x16的光分路器的每分光口输出的光功率（相当于1台20
14、dBm的EDFA）最好覆盖64个光节点或大楼（约3200户），每光节点接收光功率预算在0-3dBm 之间。之所以使16x16光分路器的每个端口覆盖2n（64）个光节点，主要是为了能与EPON的1-2台OLT相匹配，每台OLT能接入32或64个CNU。可见，采用铒钇超大功率放大技术，每个分前端只需要1台EYDFA（另1台为备份），可提供16个20dBm，覆盖1024个光节点，约51200户。分前端变得非常简洁。在实际应用中，一开始光节点较少时，或许只需用到几个20dBm口，此时，可以暂时不购置备份的EYDFA，以节省前期投入。当20dBm口使用量超过8个以上时，或有双向互动VOD业务时，一定要1
15、+1热备份，提高和确保网络的可靠性和可用性。图12 用1550nm铒钇超大功率光放大技术（ErYbDFA）构建NGB网络的新型构造其次，下行非均匀精准插播系统（Narrowcast）的构建：下行插播（Narrowcast）系统及其技术是1550nm光纤放大技术构建FTTB，实现VOD视频点播的关键和支撑基础。在这里给出了一种能实现非均匀的插播系统，能够完全依据每个片区VOD视频并发流的实际需求量予以插播，同时又能充分利用已有的设备，比如1310nm正向光发送机、EDFA1550nm光纤放大器实现插播。传统的1310nm光发送机模式必须固定、均匀地插播的局限，即每台光发送机均匀地覆盖固定的几个光节点，使每台边缘QAM调制器也只能与这台光发送机一一对应地对这几个光节点进行插播，而不能够依据这几个光节点的实际点播的或所需的并发流实现精准的插播。而不精准的插播就会使一些边缘QAM调制器提供的并发流过多，而另一些则不够，不能很好地满足用户的需求。因而，在1310nm光发送机模式中，每台正向光发送机要覆盖多少光节点，多少用户，提供多少并发流为最佳，在初始设计或规划时，是非常难以确定的。而采用NxN光
